CO2-Belastung in Berlin 30.06.2014, 06:55 Uhr

Mit Infrarotgeräten ermitteln Forscher des KIT Emissionen der Hauptstadt

Eine neue Methode zur Messung des Treibhausgasausstoßes in Großstädten haben Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) entwickelt: Mit Spektrometern messen sie im Infrarotbereich die Wellenlängenintervalle, in denen Kohlendioxid und Methan die Sonnenstrahlung absorbieren. 

Vorbereitende Vergleichsmessungen mit mehreren Fourierspektrometern auf der Dachterrasse des KIT-Instituts für Meteorologie und Klimaforschung. Die Spektrometer analysieren, wie stark die Wärmestrahlung der Sonne beim Durchgang durch die Erdatmosphäre abgeschwächt wird.

Vorbereitende Vergleichsmessungen mit mehreren Fourierspektrometern auf der Dachterrasse des KIT-Instituts für Meteorologie und Klimaforschung. Die Spektrometer analysieren, wie stark die Wärmestrahlung der Sonne beim Durchgang durch die Erdatmosphäre abgeschwächt wird.

Foto: KIT

In diesen Tagen steht die durch den Ausstoß der Treibhausgase Kohlendioxid und Methan verursachte Klimaerwärmung wieder verstärkt im Fokus der Politik. Sogar die ewigen Verweigerer USA und China wollen sich künftig intensiver um die Verringerung der Emissionen bemühen. Leider reichen die bisher üblichen Messmethoden nicht aus, um die langfristige Entwicklung der Konzentrationen in der Atmosphäre vorhersagen zu können. Dazu ist es nötig, sowohl Treibhausgasquellen als auch Treibhausgassenken – also Ökosysteme, die mehr Treibhausgas aufnehmen, als sie abgeben – quantitativ genau zu bestimmen.

Das setzt eine genaue Messung voraus, mit denen sich ein Team von Wissenschaftlern am Institut für Meteorologie und Klimaforschung des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) befasst: „Den Ausstoß aus Treibhausgasquellen genau zu beziffern ist deshalb schwierig, weil die Gase sehr lange in der Atmosphäre verweilen“, erläutert Dr. Frank Hase. „Eine bestimmte Quelle – etwa eine Großstadt – bewirkt daher nur eine sehr kleine zusätzliche Erhöhung gegenüber der Konzentration, die sich bereits im Hintergrund angesammelt hat. Genau diese kleine Erhöhung gilt es zu messen.“

Es gibt zwar etablierte Messverfahren, die die Konzentration der Gase am Aufstellungsort der Instrumente mit hoher Genauigkeit erfassen können. Aber die Daten derartiger lokaler Messungen sind von den Quellen in unmittelbarer Nachbarschaft dominiert. Außerdem ist die Interpretation der Resultate schwierig, weil die berechneten Stärken einer Quelle von Modellannahmen über den Transport der Gase durch die Luft abhängen. Würde man die Treibhausgaskonzentrationen auf verschiedenen Höhenniveaus beispielsweise an Masten messen, die bis einige Hundert Meter hoch sind, ließen sich deutlich tragfähigere Aussagen treffen. Solche Verfahren sind aber leider extrem aufwendig.

Fourierspektrometer analysieren Wärmestrahlung der Sonne

Deshalb beschreiten die KIT-Klimaforscher jetzt einen neuen Weg: Sie messen die Emissionen einer Großstadt erstmals mit einem kleinen Netz von bodengebundenen Fernerkundungsinstrumenten, bei denen es sich um Fourierspektrometer handelt. Diese Spektrometer messen im nahen Infrarotbereich die Wellenlängenintervalle, in denen Kohlendioxid und Methan die Sonnenstrahlung absorbieren. Sie analysieren also, wie stark die Wärmestrahlung der Sonne beim Durchgang durch die Erdatmosphäre abgeschwächt wird. „Somit handelt es sich nicht um eine lokale Messung – vielmehr bestimmen wir die Gesamtmenge der Gase entlang des Sehstrahls, also entlang der gedachten Verbindungslinie zwischen Messinstrument und Sonne“, erklärt Hase.

Aktivisten protestieren am 27. Juni 2014 in Berlin gegen die Verabschiedung des Erneuerbare-Energien-Gesetzes durch den Bundestag. Mit Rauch, der aus einem gebastelten Kraftwerksturm aufsteigt, wollen sie dabei auf die umweltschädlichen Emissionen aus Kohlekraftwerken hinweisen. 

Aktivisten protestieren am 27. Juni 2014 in Berlin gegen die Verabschiedung des Erneuerbare-Energien-Gesetzes durch den Bundestag. Mit Rauch, der aus einem gebastelten Kraftwerksturm aufsteigt, wollen sie dabei auf die umweltschädlichen Emissionen aus Kohlekraftwerken hinweisen. 

Foto: dpa

Eine Messkampagne mit diesem neuen Verfahren läuft jetzt drei Wochen lang von Ende Juni bis Mitte Juli. In diesem Zeitraum setzen die KIT-Forscher fünf Fourierspektrometer entlang des Berliner Stadtrands ein. Abhängig von der Windrichtung befindet sich je eine der fünf ringförmig um die Stadt verteilten Messstationen in der Abluftfahne der Stadt und misst dort erhöhte Werte, während die übrigen Stationen die Hintergrundkonzentration der Gase in der anströmenden Luft ermitteln. Aus den Differenzen der Messergebnisse in Zu- und Abluft lassen sich so die Emissionsstärken der wichtigsten Klimakiller Methan und Kohlendioxid ermitteln.

Spektrometer sollen Lücken in globalen Messnetzen schließen

Die Auswertung aller Daten aus der Messkampagne in Berlin dürfte einige Monate dauern. Anschließend wollen die Wissenschaftler ihre Ergebnisse veröffentlichen. Sie erwarten, dass sich die neue Messmethode schnell etablieren wird. Sie eigne sich nicht nur für Großstädte, sondern auch für andere lokalisierte Quellen, zum Beispiel für Erdgasfelder.

Das KIT will die tragbaren Spektrometer in Zukunft in Kampagnen für weitere europäische Großstädte und andere Quellen einsetzen und in Kooperation mit lokalen Arbeitsgruppen ein weltweites Netz dieser Stationen aufzubauen. „Diese Messungen werden dazu beitragen, Lücken in den vorhandenen globalen Messnetzen zu schließen und einen wesentlichen Beitrag zum Verständnis des Kohlenstoffkreislaufs leisten“, sagt Hase.

Der Bau der neuen tragbaren Instrumente wurde mit Mitteln der strategischen Ausbauinvestition „Advanced Remote Sensing – Ground Truth Demo and Test Facilities“ (ACROSS) der Helmholtz-Gemeinschaft finanziert. Das KIT entwickelte die Instrumente in Kooperation mit dem Industriepartner Bruker Optik (Ettlingen) auf Basis eines Seriengeräts. Bruker Optik bietet die neuen Instrumente inzwischen für atmosphärische Messungen an. Die ersten Geräte dieser Art werden schon von Forschungseinrichtungen in den Vereinigten Staaten, Japan und Australien eingesetzt.

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